8. Железо и его сплавы

Железо (Fe) - металл сероватого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999% Fe, технические сорта 99,8 - 99,9% Fe. Температура плавления железа 1539 ^оС. Железо имеет две полиморфные модификации  и . Модификация  -железа существует при температурах ниже 910 ^оС и выше 1392 ^оС (рис. 40). В интервале температур 1392-1539 ^оС  - железо нередко обозначают как  - железо.

Кристаллическая решетка  - железа - объемно центрированная кубическая (ОЦК). До температуры 768 ^оС  - железо магнитно (ферромагнитно). Эту точку перехода от ферромагнитного в парамагнитное состояние называют точкой Кюри (А₂).

Модификация  - железа существует при температуре 910-1392 ^оС. Оно парамагнитно. Кристаллическая решетка  - железа - гранецентрированная кубическая (ГЦК) (рис.40).

В дальнейшем точки, соответствующие температуре превращения одной фазы в другую будем называть критическими точками, обозначающимися буквой А с индексами c и r (c - при нагреве, r - при охлаждении) и цифрами. Ас₃ при нагреве (или Аr₃ - при охлаждении) -

переход ↔ при температуре 910 ^оС. Ас₄ (Аr₄) - критическая точка перехода γ↔α при температуре 1392 ^оС (рис.41).

Рис.40. Кривая охлаждения чистого железа

Железо со многими элементами образует твердые растворы: с металлами - растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом - растворы внедрения.

В промышленности обычно используются сплавы железа с другими элементами. Наиболее широко применимы сплавы железа с углеродом - стали и чугуны. Для получения заданных свойств в сталь и чугун вводят легирующие элементы.

8.1. Диаграмма железо-углерод

Диаграмма состояния железо-углерод дает представление о строении железоуглеродистых сплавов - сталей и чугунов.

8.1.1. Компоненты и фазы в системе железо - углерод

Кроме железа, рассмотренного ранее, в состав железоуглеродистых сплавов входит углерод. Углерод (С) является неметаллическим элементом, атомный номер 6, температура плавления 3500 ^оС. Углерод в обычных условиях находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза.

Углерод растворим в железе в твердом и жидком состояниях, а также может быть в виде химического соединения - цементита (Fe₃C), а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

В системе Fe-C различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы - феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит (Ф) - твердый раствор углерода и других примесей в α- железе. Различают низкотемпературный α-феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный δ-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1%. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен (рис.39 б). Феррит пластичен, но обладает низкой прочностью и твердостью.

Аустенит (А) - твердый раствор углерода и других примесей в γ - железе. Предельная растворимость углерода в γ - железе 2,14%. Микроструктура аустенита - полиэдрические зерна (рис.41 а). Аустенит облазает высокой пластичностью и низкими прочностными свойствами.

Рис.41. Микроструктура железа, х400: а - аустенит, б - феррит

Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом - карбид железа (Fe₃C). В цементите содержится 6,67% С. До температур 210 ^оС (А₀) цементит ферромагнитен. Он обладает очень высокой твердостью и очень малой пластичностью. Цементит является метастабильной фазой. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит.

Графит - модификация углерода в равновесном состоянии. Он мягок, обладает низкой прочностью и электрической проводимостью.

Различают диаграммы состояния железо-углерод и железо-цементит. Первая диаграмма соответствует равновесному состоянию, вторая -метастабильному.

На диаграмме железо-цементит (рис. 42) дан фазовый состав и структура сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С). В таблице 2 представлены характерные точки этой диаграммы.

Точки N (1392⁰C) и G(911⁰C) соответствуют полиморфному превращению α↔γ.

Таблица 2

Характерные точки на диаграмме железо-цементит

Точка	Температура,0C	Концентрация С,%
А	1539 (tпл Fe)	0
В	1499	0,51
С	1147	4,3
D	~1250	6,67
E	1147	2,14
F	1147	~6,4
G	911	0
H	1499	0,1
J	1499	0,16
K	727	6,67
L	~600	6,67
N	1392	0
P	727	0,02
Q	~600	0,01
S	727	0,8

Рис.42. Диаграмма железо-цементит

Линии диаграммы состояния Fe-Fe₃C имеют следующие обозначения и физический смысл.

АВСD - линия ликвидус, AHJECF - линия солидус. АВ показывает температуру, ниже которой происходит кристаллизация δ-феррита (Ф_δ) из жидкого сплава (Ж); ВС соответствует температуре начала кристаллизации аустенита (А) из жидкого сплава; СD соответствует температуре начала кристаллизации первичного цементита (Fe₃C_I) из жидкого сплава; АН является температурной границей области жидкого сплава и кристаллов δ-феррита; ниже этой линии существует только δ-феррит; HJB - линия перитектического равновесия (1499⁰С) с протеканием перитектической реакции (жидкость состава точки В взаимодействует с кристаллами δ-феррита состава точки Н с образованием аустенита состава точки J):

Ж_В+Ф_НА_J

Линия ECF соответствует кристаллизации эвтектики - ледебурита (А_Е+Fe₃C):

Ж_С А_Е+Fe₃C.

Структура ледебурита характерна для эвтектического сплава, содержащего 4,3% углерода. Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение (рис. 43). После охлаждения ниже температуры 727⁰С ледебурит представляет собой эвтектическую смесь перлита и цементита.

Железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2,14% углерода, называются сталями, а сплавы, содержащие выше 2,14% углерода, чугунами.

Сплавы, содержащие менее 0,02% С (точка Р), называются техническим железом (рис. 44, а), имеющего структуру феррита.

При охлаждении ниже температуры 727⁰С (горизонталь PSK) протекает эвтектоидная реакция:

А_Е  Ф_Р +Fe₃C.

Линия эвтектоидного превращения соответствует распаду аустенита (0,8% С) с образованием эвтектоида - ферритоцементитной структуры - перлита (Ф_Р +Fe₃C ) (рис. 44, ж).

Стали, содержащие от 0,02 до 0,8% С, называются доэвтектоидными и после полного охлаждения имеют структуру избыточного феррита + перлит (рис. 44, б-е). В зависимости от возрастания содержания углерода будет увеличиваться перлитная составляющая и уменьшаться ферритная.

Рис.43. Микроструктура чугунов, х450: а - доэвтектический чугун (перлит, ледебурит, вторичный цементит), б - эвтектический (ледебурит), в - заэвтектический (первичный цементит и ледебурит)

Сталь, содержащая 0,8% С, называется эвтектоидной и после охлаждения имеет структуру перлита (рис. 44, ж). Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение, то есть состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита.

Стали, содержащие от 0,8 до 2,14% С, называются заэвтектоидными и после охлаждения имеет структуру перлита и избыточного цементита, который располагается по границам перлитных зерен (рис. 44, з). Выделение избыточного цементита в виде сетки или игл делает сталь хрупкой. Поэтому специальной термической обработкой и деформацией ему придают зернистую форму (рис. 44, и).

Рис.44. Микроструктура стали в зависимости от содержания углерода, х450: а - техническое железо, б-е - доэвтектоидные стали (б - 0,1% С, в - 0,22% С, г - 0,3% С, д - 0,4% С, е - 0,55% С), ж - эвтектоидная сталь (0,8% С), з-и - заэвтектоидные стали (з - 1,3% С, и - 1,1% С)

Чугуны, в зависимости от содержания углерода, подразделяются на доэвтектический (2,14 - 4,3% С, структура после охлаждения - перлит, ледебурит (перлит + цементит) и вторичный цементит), эвтектический (4,3% С, структура после охлаждения - ледебурит (перлит + цементит)) и заэвтектические (более 4,3% С, структура - ледебурит (перлит + цементит) и вторичный цементит) (рис. 43). С повышением содержания углерода количество цементита возрастает.

Сплавы железа с углеродом после окончания кристаллизации имеют указанную выше различную структуру. Однако фазовый состав всех сплавов одинаков: при температуре ниже 727⁰С они состоят из феррита и цементита.